Do an Chinh luu dong co dieu khien

Mạch chỉnh lưu có điều khiển thường áp dụng cách thay đổi góc kích của SCR và được ứng dụng để điều chỉnh tự động cho các mạch sau: Nạp accu, hàn điện, mạ điện, điện phân, điều khiển đ ộ[r]

CHƯƠNG GIƠI THIÊU CHUNG VÊ CAC BÔ BIÊN ĐÔI ĐIÊN TƯ CÔNG SUÂT THEO SƠ ĐÔ THIÊT KÊ TRONG ĐÔ AN  Cac vân đê chung vê bô biên đôi công suât yêu c âu: Mạch chỉnh lưu có công dụng chuyển đổi điện AC thành điện DC Trong công nghiệp còn sử dụng mạch chỉnh lưu có điều khiển để làm thay đổi công suất tải theo yêu cầu Mạch chỉnh lưu có điều khiển thường áp dụng cách thay đổi góc kích SCR và ứng dụng để điều chỉnh tự động cho các mạch sau: Nạp accu, hàn điện, mạ điện, điện phân, điều khiển đ ộng c DC, truyền động điện … Tuy công nghiệp đôi còn sửdụng các mạch chỉnh lưu không có điều khiển ( Diode ), trường hợp này có thể xem là trường hợp SCR với góc kích điều khiển độ Nói đến chỉnh lưu là nói đến giá trị điện DC, tức là quan tâm đến giá tr ị trung bình các đại lượng điện chúng Tuy nhiên ta c ần quan tâm đến đại lượng hiệu dụng để so sánh và ứng dụng việc điều khiển t ải AC Sơ đồ câu môt pha: Chỉnh lưu cầu pha lĩnh vực điện tử công suất, ta quan tâm đến sơ đồ mạch và phương pháp điều khiển Việc tính toán hoàn toàn thực giống mạch chỉnh lưu dạng cầu, và chúng ta bỏ qua các giá trị c dòng áp trên linh kiện chỉnh lưu ( Diode hay SCR ) thì hoàn toàn có thể s d ụng các công thức tính toán mạch toàn kỳ Chỉ khác tính toán các đ ại lượng điện đặt lên các linh kiện Có hai cách đấu mạch van: sơ đồ Thyristor măc catot chung và sơ đồ Thyristor măc thăng hàng  Chinh lưu câu ban điêu khiên Thyristor măc catot chung Nhóm catot chung là các Thyristor nên chúng mơ các thời điểm α nó Nhóm anot chung là van diode nên chúng luôn m tự nhiên theo điện áp nguồn: Đ1 mơ u2 băt đầu âm; Đ2 mơ u2 băt đầu dương Do vây dân các van chu kỳ lưới là: +Trong khoảng α →Π : T1 Đ2 dân ud = u2 +Trong khoảng Π →( Π +α ) : T1 Đ1 dân, Π Đ1 mơ tự nhiên làm Đ2 khóa: ud = +Trong khoảng ( Π +α )→2 Π : T2 Đ1 dân, T2 phát xung mơ điểm ( Π +α ) và dân làm cho T1 khóa ud = -u2 +Trong khoảng Π →(2 Π + α ) : T2 Đ2 dân, Đ2 mơ tự nhiên điểm 2Π làm cho Đ1 khóa ud = Qua đây ta thấy có hai đoạn có tượng dân thăng hàng hai van: T1 Đ1 và T2 Đ2, đó đoạn này tải bị ngăn mạch nên u d= (các đoạn còn lại ud bám theo điện áp nguồn) Như vây dòng Id vân liên tục, song dòng i2 đứt đoạn dòng tải Id chảy quăn qua hai van thăng hàng mà không nguồn Điều này là có lợi khía cạnh lượng, vì lượng không b ị trả nguồn mà giư lại tải Chinh lưu ban điêu khiên co thyristor đâu catot chung va đ th i Dạng điện áp ud trơ lại giống chỉnh lưu điều khiển với tải tr ơ, vây quy luât ud là: U d U d  cos  cos 0,9U 2 Dòng tải: U I d  d Rd Các van đân khoảng điều là Π , vầy trị số trung bình dòng van vân là Id/2 Giơi thiêu cac van đươc sư dung sơ đ trên: a Diode ban dẫn  Cấu tạo và ký hiệu diode - Cấu tạo: Diode bán dân là loại linh kiện bán dân có miền tiếp giáp P -N, có cực nối với chất bán dân P và N, đặt m ột v ỏ b ằng thu ỷ tinh hay kim loại nhựa hình 2.8a, hai cực nối gọi là An ốt (A) và Katốt (K) A A P N a K ) A b Hình ) 2.8 K K K A  Đặc tuyến diode Diode làm việc tiếp giáp P -N, U®t Id Idmax U phụ thuộc dòng điện qua diode và điện Hình 2.9 Udmax Ud - Kí hiệu: Theo các dạng diode (Hình 2.8b- Kí hiệu chung, diod ổn áp, diod biến dung) áp ngoài theo đặc tuyến hình 2.9 Bằng thực nghiệm người ta xác định đượcB: Sau Ud tăng vượt qua ện áp thềm U  (tương ứng với Utx ) thì dòng Ia tăng theo hàm số mũ: ( I d=I s e q Ud K T −1 Với: q = 1,6.10-19 culông; ) (2.4) K = 1,38.10-23 J/ 0k T: Nhiệt độ tuyệt đối; Is: Dòng nghịch bão hoà Ud: Điện áp trên diode (V) nhiệt độ bình thường (25 0C), thì: Id ( Ud 26mV ¿ Is e ) −1 (2.5) + Khi phân cực thuân, Ud > U thì e Vd 26 mV Ud 26 mV I d =I s e + Khi phân cực nghịch, Ud < thì Id  Is  >>1, nên: (2.6) e Vd 26 mV << 1, nên: (2.7) Nếu tăng cao điện áp nghịch, đến mức nào đó gây tượng đánh thủng (hiện tượng thác lũ), mức điện áp đó gọi là điện áp đánh th ủng U đt Nguyên nhân dân đến tượng đánh thủng lớp tiếp giáp là các h ạt dân sinh nhiều xung quanh tiếp giáp, hai dạng là đánh thủng v ề điện (gồm đánh thủng Zenel và đánh thủng dây chuyền) và đánh thủng nhiệt Nói chung tượng đánh thủng phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh, vào trị số dòng điện ngược và điều kiện toả nhiệt Điện áp đánh thủng diode Ge nhỏ diode Si b SCR  Câu tạo va kí hiêu SCR (Silicon Controlled Rectifier: Bộ chỉnh lưu Silic có điều khiển) là loại linh kiện chế tạo lớp bán dân xếp xen kẽ P 1-N1-P2N2, chúng tạo thành mặt ghép P -N (J1,J2,J3) SCR xem gồm transisto PNP và NPN ghép với nhau, sơ đồ tương đương và ký hiệu SCR hình 5.5 G A P1 J1 ** N 1P2 J2 J3 N2 * K A A P1 Q N** N 1 P2 G P2 G N2 * K Hình 5.5 A Q G K K  Nguyên lý hoạt động - Khi phân tích nguyên lý hoạt động SCR cần phải kết hợp cấu tạo, sơ đồ tương đương và các điện áp UAK, UGK tác động lên các cực làm thay đổi dòng IA , có thể kết hợp đường đặc tuyến đã có để phân tích - Sử dụng dạng đặc tuyến đã xác định Hình 5.6 ta phân tích hoạt động SCR theo các vấn đề sau: IA diode thường SCR Vùng IG2>IG IG1>0 Vùng13 IG=0 IH Uđt Vùng UF1 UF0 UT Vùng Hình 5.6 Đặc tuyến V/A SCR UA K - Khi SCR phân cực ngược UAK<0, đặc tuyến đoạn gọi là vùng chăn ngược + Đặc tính đoạn này có thể coi SCR diode ngược m ăc nối ti ếp (J2 phân cực thuân, J1 và J3 phân cực ngược) Dòng IA qua SCR là dòng ngược diode có giá trị nhỏ + Nếu tăng điện áp ngược đến giá trị nào đó (U đt) thì các tiếp giáp J1 và J3 bị đánh thủng, dòng ngược SCR tăng đột ngột và làm hỏng SCR - Khi SCR phân cực thuân UAK>0 + UAK>0 còn nhỏ (< mức điện áp mơ UF) lúc này J1 và J3 phân cực thuân, J2 phân cực ngược và vây SCR tương đương diode măc phân cực ngược Dòng IA vân có giá trị nhỏ là dòng ngược J2 Đặc tuyến là đoạn gọi là vùng chăn thuân + Trường hợp cực G để hơ (IG = 0): Khi UAK tăng đến giá trị điện áp mơ UF0 làm cho J2 đánh thủng, lúc này J2 coi nối tăt, dòng IC0 SCR đủ lớn làm cho Transistor tương đương T1 và T2 dân và lâp tức chuyển sang trạng thái dân bão hoà và SCR chuyển sang trạng thái mơ Khi SCR mơ, nội trơ c nó bị giảm xuống, sụt áp giưa A và K giảm xuống còn giá trị UT gọi là điện áp dân thuân tương ứng diode (≈ 0,7V), dòng điện tương ứng lúc này là dòng trì IH Phương pháp kích mơ SCR cách tăng dần UAK gọi là phương pháp kích mơ điện áp thuân + Trường hợp IG  0: Dòng IG UGK>0 cung cấp cùng với dòng ngược vốn có IC0 SCR làm cho T2 cùng T1 dân mạnh thêm, làm cho SCR có thể mơ điện áp UAK còn nhỏ nhiều so với điện áp UF0 kích mơ IG = Dòng IG càng lớn thì mức điện áp kích mơ UF càng nhỏ Tuy nhiên vân phải bảo đảm cho UAK đủ lớn để phân cực thuân cho T1 và T2 Đặc tuyến trường hợp này thuộc vùng gọi là vùng điện trơ âm + Khi SCR trạng thái mơ hoàn toàn, điện trơ nó có giá trị nhỏ và dòng điện IA có giá trị lớn phụ thuộc chủ yếu vào nguồn UAK và điện trơ ngoài Đặc tuyến trường hợp này thuộc vùng gọi là vùng dân thuân -Kết luân tính chất SCR + Từ nguyên lý HĐ phân tích trên rút tính chất đặc trưng SCR là tính chất chỉnh lưu có điều khiển + Khi SCR đã mơ thì xung kích mơ không còn tác dụng Muốn làm tăt SCR có thể dùng các phương pháp:  Giảm dòng IA < IH gọi là dòng ghim, cách giảm UAK < UH  Đặt xung âm vào cực cổng G làm tăt Q2IC2 (IB1) giảm nhanh  Q2 và SCR tăt  Tăt nguồn cung cấp  Các tham số kỹ thuât - SCR có các tham số sau: + UF : Điện áp kích mơ + UT : Điện áp dân thuân + IH : Dũng trỡ + IAmax : Dòng điện thuân cực đại Là trị số dòng điện thuân lớn qua SCR mà nó có thể chịu đựng liên tục, quá trị số này SCR bị hỏng Khi SCR đã dân điện U AK khoảng 0,71V nên có thể tính dòng điện thuân qua SCR theo công thức: I A= U cc −0,7 RD (5.2) + Điện áp ngược cực đại: UNGmax Là trị số điện áp ngược lớn có thể đặt vào giưa cực A, K mà SCR chưa bị đánh thủng, vượt qua trị số này SCR bị phá huỷ U NGmax thường khoảng 100V đến 1000V + Dòng điện kích thích cực tiểu: IGmin Để SCR dân trường hợp UAK nhỏ thì phải có dòng kích cho cực cổng G Dòng IGmin là trị số dòng kích nhỏ đủ để điều khiển SCR dân điện và dòng này phụ thuộc vào công suất SCR, công suất SCR càng lớn thì IGmin càng lớn Thông thường IGmin từ đến vài chục mA  Ứng dụng SCR SCR ứng dụng rộng rãi lĩnh vực điều khiển dùng làm khoá điều khiển các mạch điện công suất lớn, sử dụng các m ạch chỉnh lưu, nghịch lưu có điều khiển CHƯƠNG 2: TÍNH TOAN TIÊT KÊ MẠCH LỰC 1.Thiêt kê mạch nguồn: -Mạch nguồn: Ns Np Mạch lực BA -Cấu tạo + Nguồn điện cấp vào cuộn sơ cấp là nguồn điện lưới: U =~220V + Máy biến áp pha yêu cầu đầu cuộn thứ cấp điện áp U 2=~7V, đó tính toán chọn số vòng dây cuộn sơ cấp và thứ cấp là: Số vòng dây quận sơ cấp: Np = 1100 Số vòng dây quận thứ cấp: Ns= 36 -Chức năng: Biến đổi điện áp lưới xoay chiều 220V xuống còn 6V đầu cấp cho chỉnh lưu đáp ứng yêu cầu đầu mạch 2.Thiêt kê mạch công suât: -Cấu tạo: + Các Thysistor T1, T2 + Các Điốt D1và D2 + Tải R,L -Chức năng: mạch chỉnh lưu bán điều khiển cầu pha chuyển đổi dòng điện xoay chiều pha thành dòng điện chiều 3.Thiêt kê mạch bảo vê: Sơ đồ mạch lực có mạch bảo vệ: Trong quá trình mạch hoạt động, xuất điện áp ngược trên các van và có công suất phản kháng tải trả nguồn, đó để bảo v ệ các van và bảo vệ nguồn ta phải thiết kế mạch bảo vệ cho mạch a,Bảo vê qua điên ap cho van: Bảo vệ quá điện áp quá trình đóng ngăt các van thực cách măc R-C song song với các van Khi có chuyển mạch, các ện tích tích tụ cac lớp bán dân phóng ngoài tạo dòng điện ngược khoảng thời gian ngăn, biến thiên nhanh chóng dòng điên ngược gây sức điện động cảm ứng lớn các điện cảm làm cho quá điện áp giưa Anod và Katod các van Khi có mạch R-C măc song song với các van tạo mạch vòng phóng điện tích quá trình chuyển mạch nên các van không bị quá điện áp Mạch R-C bảo vệ quá điện áp chuyển mạch  Chọn thông số các linh kiện: -Điện áp ngược van: Ungmax = U √ = 10(V) -Chọn tụ điện có điện dung C=0,4μF -Điện trơ R=6Ω b,Bảo vê điên ap phản khang từ lươi điên -Để bảo vệ điện áp phản kháng trả nguồn ta sử dụng mạch R-C song song với tải tạo mạch phóng có công suất phản kháng -Mạch R-C tạo mạch phóng không cho điện áp phản kháng trả nguồn, bảo vệ nguồn cấp cho mạch -Đồng thời mạch còn có vai trò san phăng dòng điện đầu qua tải  Chọn thông số cho mạch: -Tụ điện: C=20F -Điện trơ: Ω 4,Tính toan cac thông số cho mạch  Nguồn đầu vào U=~220V, Tải R = 10 Ω,tính cảm kháng tải là L=0,1H - Chọn góc mơ α =300 - Quy luât Ud: Ud=0,9U 1+ cos α = 6(V) => U 2=7.1 V Np U 220 => Tỉ lệ vòng dây sơ cấp và thứ cấp là: Ns = U = 7,1 =30,9 -Số vòng volt=5vòng/volt => Số vòng cuộn sơ cấp: Ns=220*5=1100Vòng Số cuộn thứ cấp là: Np=1100/30,9=35,6 vòng=>chọn Np=36 vòng - Điên áp tải: Ud=6V - Dòng tải: Ud R = 10 =0,6( A) - Dòng cực đại qua van: Imax = I d √2 = 0.85 (A) - Dòng điện trung bình van: ITBV=Id/2=0,3A - Điện áp ngược van phải chịu: Ungmax = U2 √ = 10(V) Id= Từ các thông số trên ta chọn thyristor T6-10: +Itb=10A +Udk=3V + Ungmax=100V +Tph=2-5μs + Idk=70mA CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 1,Khâu cảm ứng-khuếch đại: Khâu cảm ứng dùng phần tử cảm ứng điện áp Voltage Sensor -Cấu tạo gồm ngõ vào âm và ngõ vào dương -Nguyên lý hoạt động: Khi điện áp ngõ vào Sensor có thay đổi xuất hiện tín hiệu đầu Tín hiệu đầu khuếch đại lên so với tín hiệu đầu vào G0 lần Dùng để cảm ứng có dòng điện dương cấp tới Thyristor để nó có khả mở tự nhiên chưa dẫn, nó dẫn có đồng thời cả xung kích mở góc α -Cực + và – cảm biến nối với anốt và catốt Thyristor -Sơ đồ đấu nối: -Đồ thị điện áp: Uv Ur 2, Khâu so sánh (Sử dụng IC KĐTT)-Tạo tín hiệu đồng bộ:  IC KĐTT: Khuếch đại thuật toán (KĐTT) ngày sản xuất dạng các IC tương tự (analog) Có từ "thuật toán" vì lần đầu tiên chế tạo chúng người ta sử dụng chúng các máy điện toán Do đời khuếch đại thuật toán mà các mạch tổ hợp analog đã chiếm vai trò quan trọng kỹ thuật mạch điện tử Trước đây chưa có khuếch đại thuật toán thì đã tồn tại vô số các mạch chức khác Ngày nay, nhờ đời khuếch đại thuật toán số lượng đó đã giảm xuống cách đáng kể vì có thể dùng khuếch đại thuật toán để thực hiện các chức khác nhờ mạch hồi tiếp ngoài thích hợp Trong nhiều trường hợp dùng khuếch đại thuật toán có thể tạo hàm đơn giản hơn, chính xác và giá thành rẻ các mạch khuếch đại rời rạc (được lắp các linh kiện rời ) Ta hiểu khuếch đại thuật toán khuếch đại lý tưởng : có hệ số khuếch đại điện áp vô cùng lớn K → ∞, dải tần số làm việc từ 0→ ∞, trở kháng vào cực lớn Zv → ∞, trở kháng cực nhỏ Zr → 0, có hai đầu vào và đầu Thực tế người ta chế tạo KĐTT có các tham số gần lý tưởng Hình 7.5a là ký hiệu KĐTT : Đầu vào (+) gọi là đầu vào không đảo P(positive), đầu vào (-) gọi là đầu vào đảo N (negative), (VS+) điện áp nguồn dương, (VS-) điện áp nguồn âm và đầu (VOut)  Mạch so sánh dùng KĐTT: -Ed là điện thế khác ngõ vào và định nghĩa : Ed = (điện thế ngõ vào dương (+) – điện thế ngõ vào âm (-)) -Do mạch không có hồi tiếp âm nên: VOut=A(V1-V2) = A.Ed ; Với Ed=(V1-V2) Trong đó A là độ lợi vòng hở op-amp -Vì A rất lớn nên theo công thức trên VOut rất lớn -Khi Ed nhỏ, VOut xác định Khi Ed vượt quá trị số nào đó thì VOut đạt đến trị số bão hòa và gọi là VSat Trị số Ed tùy thuộc vào op-amp và có trị số vào khoảng vài chục μV - Khi Ed âm, mạch đảo pha nên VOut =-VSat - Khi Ed dương, tức V1>V2 thì VOut =+VSat -Ðiện thế ngõ bão hòa thường nhỏ điện thế nguồn từ volt đến volt Ðể ý là: |+VSat| có thể khác |-VSat| Như vậy ta thấy điện thế Ed tối đa là:  So sánh mức zerô không đảo: Điện thế ngõ vào (-) dùng làm điện thế chuẩn và Ei là điện thế muốn đem so sánh với điện thế chuẩn, Ei đưa vào ngõ vào (+) -Khi Ei> Vref =0 thì Vout=+Vsat -Khi Ei< Vref =0 thì Vout=-Vsat Thí dụ Ei có dạng tam giác thì dạng sóng ngõ Vout có dạng hình sau:  Ứng dụng khâu so sánh điều khiển a,Sơ đồ mạch: b,Đồ thị điện áp vào-ra: Ur Ei t  Ei là điện áp đầu khâu cảm biến nối với cực P KĐTT Cực N KĐTT nối đât Ei so sánh với  Ur là đầu khâu so sánh, đưa đến khâu tạo xung +Khi Ei>0, Ud>0, đầu có điện áp Ur=const>0 +Khi Ei<=0,Ud=0, đó đầu Ur=0 3,Khâu tạo xung điều khiển góc mở a,Khái quát phần tử điều khiển pha: -Sync(synchronization): tín hiệu xung đồng -Alpha: giá trị góc α kích mở Thyristor -Enable: Tín hiệu cho phép -Đầu nối với cực điều khiển Thyristor Khi xuất hiện đồng thời xung đồng và xung cho phép, tại góc mở α, đầu xuất hiện xung lên dương kích để kích mở Thyristor b,Sử dụng điều khiển góc mở Thyristor Để điều khiển pha mở Thyristor, góc mở ta dùng nguồn với giá trị ứng với góc mở α Xung cho phép ta dùng xung step Xung đồng lấy từ khối so sánh-tạo tín hiệu đồng Sơ đồ: Đối với mạch chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển dùng Thyristor, cần điều khiển góc mở cho Thyristor mở lệch 1800 Vì sau khâu cảm biến, điện áp cảm biến đã lệch 1800 nên ta cho giá trị điều khiển góc mở-nguồn điện chiều cùng giá trị, giả sử ta muốn cho Thyristor mở 300 và 2100 ta đặt giá trị điện áp nguồn chiều là +30V 4,Bộ điều khiển hoàn chỉnh  Nguyên lý làm việc: -Khi điện áp trên đầu Thyristor thay đổi, Cảm ứng điện áp cảm ứng giá trị thay đổi đó, khuếch đại lên đầu Ucu Đầu khâu cảm ứng Ucu đưa tới cực không đảo KĐTT khâu so sánh Nếu Ucu>0, đầu khâu so sánh giá trị Udb=const>0 Nếu Ucu<0, đầu khâu so sánh có giá trị Udb=0 -Thời điểm có xung Udb tới điều khiển góc mở α là thời điểm bắt đầu α=0 Đồng thời có xung cho phép cấp đến cực cho phép phần tử điều khiển pha, tại góc mở α, đầu phần tử điều khiển pha xuất hiện xung kích mở Thyristor với độ rông xung đặt trước Công việc tiếp tục các chu kì tiếp theo CHƯƠNG MÔ PHỎNG, KẾT LUẬN (Mô phần mềm Psym) I Mô mạch không có mạch bảo vệ: Đồ thị điện áp và dòng điện qua tải: II.Mô mạch có mạch bảo vệ: Đồ thị điện áp và dòng điện mạch: III Nhận xét, kết luận: Khi có thêm mạch bảo vệ, ta thấy trên đồ thị điện áp và dòng điện tải có khác nau rõ rệt, cụ thể sau: -Điện áp và dòng điện đầu không có mạch điều khiển là dòng điện gián đoạn -Điện áp và dòng điện đầu có mạch bảo vệ là dòng điện liên tục, bắt đầu lên từ không và đạt giá trị ổn định không đổi -Giá trị điện áp đầu vào và đầu là: Uv=~220V, Ud=6V, Id=0,6A -Đò thị điện áp trên các van có khác nhau: +Khi không có mạch bảo vệ, điện áp trên các van gián đoạn, giá trị +Khi có mạch bảo vệ, điện áp trên các van không bị gián đoạn, ổn định điên áp trên các van có hình sin Mạch chỉnh lưu là mạch điều chỉnh điện áp xoay chiều thành điện áp chiều Nó thuận lợi so với việc sử dụng biến áp kết nối các nguồn chiều lại với chỗ có thể biến đổi đồng thời cả dòng điện và điện áp đầu vào theo điện áp và dòng điện thích hợp phù hợp với yêu cầu tải